Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 29 - September 1, 2023, Funabashi

PASJ2023 WEP20

J-PARC リニアックの大強度化に向けた MEBT1 用磁石の設計検討
DESIGN STUDY OF MEBT1 MAGNETS FOR J-PARC LINAC POWER UPGRADE
不破康裕#, 北村遼
Yasuhiro Fuwa #, Ryo Kitamura
J-PARC Center, Japan Atomic Energy Agency

Abstract

In the J-PARC LINAC, the beam current and pulse width are being upgraded in order to increase the beam output
power for the next decade. MEBT1 (Medium Energy Beam Transport 1) is located between the RFQ and the DTL toform an intermediate bunch structure for matching the transverse and longitudinal beams and for injection into the rapid
cycling synchrotron in the later stage. Since the beam energy in MEBT1 section is low (3 MeV), the space-charge effectis expected to increase as the beam intensity increases. In this study, a new magnet has been designed and fabricated tosuppress the beam loss caused by the space-charge effect. The new magnet is a combined-function magnet that cangenerate superimposed multipole components for beam focusing and space-charge effect compensation in a small space,and a permanent magnet is used to reduce the power consumption and the size of the equipment. In this presentation, thedesign of the magnet and its effect on beam dynamics will be discussed.

1.

ビーム集束磁石について議論する。

はじめにJ-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex)[1]は大強度陽子ビームにより発生する 2 次粒子を用いた多様な実験が行われている大強度複合陽子加速器施設である。J-PARC 加速器は 2006 年に運転を開始して以来、そのビーム出力を徐々に上げており RCS (RapidCycling Synchrotron)[2]の設計出力である 1 MW での連続運転の達成を目前にしている。今後の展開として、MLF (Material and Life science Facility) の第 2 ターゲッ
トステーションの建設や MR (Main Ring) およびニュートリノビームラインの高繰り返し化、核変換開発施設の建設などさらなる発展が検討されており RCS 出射部において 1 MW を超えるビーム出力が要求される見込みである。
J-PARC リニアックは J-PARC 加速器施設における負水素イオンビーム入射器として稼働しており、400 MeVの負水素イオンを RCS に供給している[3]。現状のビー
ム電流はピーク値で 50 mA であり、RCS で 1 MW のビームを出力する際に供給しているマクロパルス幅は500 µsec である。RCS のビーム出力で 1 MW を上回るパワーを得るためにはリニアックにおけるビーム電流、パルス幅の両方あるいはいずれかの増大が必要となる。
アップグレードの方針として 1.2 MW のビーム出力を目指すにあたりビーム電流を 60 mA に増大させることやパルス幅を 600 µsec に引き伸ばすことが検討されているが、前者はビーム電流の増加による空間電荷効果によるエミッタンスやビームロスの増大、後者についてはクライストロンおよび高圧電源の出力限界[4] などが問題となり、それぞれのアップグレードオプションについては慎重な検討が必要となっている。本稿ではビーム電流の増強にあたり問題となる空間電荷効果の抑制を主眼点として、
J-PARC リ ニ ア ッ ク の 上 流 部 に 位 置 す る MEBT1(Medium Energy Beam Transport 1) 用に開発している___________________________________________# yfuwa@post.j-parc.jp

2.

MEBT1 の構成と空間電荷効果

MEBT1 は J-PARC リニアックの初段加速空洞である
RFQ (Radio-Frequency Quadrupole) とその後段の DTL(Drift Tube Linac) の間に位置する長さ 3 m のビーム輸送区間である。ここでは、RFQ で 324 MHz の高周波によりバンチ化および 3 MeV まで加速された負水素ビームに対して DTL 入射のための横方向および縦方向のビームマッチングと、リニアックで加速されるビームをRCS に入射するために RCS の加速位相と同期した中間バンチ構造を形成するためのビームチョップが行われる。MEBT1 の機器レイアウトを Fig. 1 に示す。

Figure 1: Component Layout of MEBT1.
MEBT1 の 中 間 部 に は 2 台 の チ ョ ッ パ ー 空 洞(Chopper 1, 2)が位置しているが、この空洞では 324 MHzの高周波電場を用いてビームを横方向に蹴っている。その際にビームを効果的にチョップするためには縦方向にビームを圧縮して十分に短いマイクロバンチとする必要がありチョッパー空洞の前段にはバンチャー空洞(Buncher 1) が設置されている。また DTL への入射における縦方向のマッチングのためにチョッパー空洞の後段にさらにもう１台バンチャー空洞 (Buncher 2) が設置さ

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PASJ2023 WEP20れている。これらの空洞が配置されているために MEBT1に設置することが可能な集束磁石は現状では 8 台となっており、RFQ や DTL 内部と比較して横方向の集束力が小さい。一方で、ビームエネルギーが 3 MeV と低いために空間電荷効果の影響が大きく、現状の 50 mA 運転においてもビームフラグメンテーションの形成とエミッタンス増大が確認されている[5]。60 mA への電流アップグレード時にはエミッタンス増大がさらに大きくなることが予測され、これをいかに低減するかが重要な課題となっている。
この問題を解決するための方策としてビーム集束要素に高次成分を加えて、空間電荷効果によるビーム品質低下を抑制することが提案されている[6]。空間電荷効果はビーム分布の対称性から奇数次の発散項を発生させる。
その最低次の成分は 8 極に対応する三次関数の成分なので、外部から 8 極磁場を印加することで空間電荷効果によるビーム発散を抑制することが期待できる。

3.

永久磁石を用いた機能結合型磁石

先述の通り MEBT1 では、限られた空間に集束磁石が配置されているため現状の 4 極磁石に加えて新たに 8極磁石を配置するスペースはない。そのため、8 極磁場成分の印加には、4 極磁石に重ね合わせて 8 極成分を発生可能な機能結合型磁石を検討することとした。
Figure 2 に設計した機能結合型磁石の磁気回路構成を示す。ここで設計した磁気回路には起磁力の発生源として永久磁石を使用している。永久磁石を用いることでコイルや冷却水配管を省略し、磁石を小型化することができる。また、これに伴い電磁石におけるトラブル原因の多くを占める電源や冷却水に関連する不具合の可能性を排除することができ信頼性の向上を見込むこともできる。
この磁気回路では磁石が 2 つのグループに分かれており、４極磁場を発生させるための台形型永久磁石の集まりと、８極磁場を発生させるための円柱型永久磁石の集まりから構成されている。4 極磁場についてはビーム集束のために最大強度で 30 T/m 程度の比較的大きな磁場勾配が必要となるため Halbach 配置を基本磁石配置として、8 極磁場生成のための磁石を挿入する部分を切り欠いたような構造としている。本設計では、4 極磁場のFigure 3: Magnetic field distribution along the beam axis.
強度は固定での実装となっている。これは、現状検討している MEBT1 の磁石置き換えにおいては、8 台の電磁石のうちの一部のみを永久磁石で置き換えることを検討しており、永久磁石部分の 4 極集束力は固定として近傍の電磁石の電流調整によりビーム集束力およびビームマッチングを補正することを検討しているためである。一方、8 極磁場の強度は円筒型磁石を回転させることで17,700 T/m3 から +17,700 T/m3 まで連続的に変調させることができる構造とした。磁気回路のそれぞれの部分が発生する磁場分布と磁場強度変調機構については文献[7] に記述している。Figure 3 は 3 次元磁場計算により算出したビーム軸方向の 4 極成分と 8 極成分の磁場強度分布である。縦軸の値はビーム軸から水平方向に1 mm 変位した位置での磁場強度を示している。それぞれ の 成 分 の 磁 場 強 度 は 最 大 値 で 33 T/m お よ び
17,700 T/m3 に相当するものである。この計算結果よりビーム軸上の同一区間に両者の磁場成分が同時に発生できていることが確認できる。
Figure 2 に示した磁気回路設計を元に、プロトタイプモデルを製作した。永久磁石部分には温度特性と耐放射線特性を考慮してサマリウムコバルト磁石を採用した。
Figure 4 に製作したプロトタイプの写真を示す。このモデルでは 8 極磁場強度を変調させるための磁石の回転を手動で調整できるように治具を設けている。Figure 5 はホールプローブで測定した mid-plane 上の磁場分布である。8 極磁石の大きさが最大となる場合とその値が 0 となる場合に磁石の回転角を調整したものであるが、いずれも設計値と十分に一致している。

Figure 2: Design magnetic circuit for combined-function
focusing magnet. All shown in this figure are permanent
magnets, and the arrows indicate the direction ofmagnetization.

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Figure 4: Fabricated prototype magnet.

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Figure 5: Preliminary result of magnetic field measurementon mid-plane of the prototype magnet.

4.

空間電荷補正シミュレーション

設計製作した機能結合型磁石による空間電荷効果の補正を検証するために、ビームシミュレーションを実施した。このシミュレーションでは研究初期段階における計算の簡便化と 8 極磁場による空間電荷補正効果を明らかにするために横方向のみの自由度をもつ 2 次元体系で計算を行った。ラティス体系は Fig. 6 に示すものを用いた。加速および縦方向のダイナミクスを省略するために
RFQ および DTL 部分を周期的な FODO ラティスで実装しており、ビームエネルギーは 3 MeV で一定としている。
RFQ に続く部分には現状の MEBT1 を模擬するために実機と同様の８台の４極集束要素を配置している。このMEBT1 に相当する部分の後段に 4 台の集束要素からなるラティスを配置し DTL を模擬するラティスとのマッチ
ン グ要 素 とし た 。こ の 新た に配置し た 集束 要素は JPARC リニアック用に新たに製作した RFQ がこれまでのものより約 50 cm 短いものであり、RFQ 置き換え時にできる 50 cm の空間を活用して MEBT1 後段部に集束磁

Figure 6: Simulation model of simplified 2D latticestructure.

Figure 7: Results of the simulation. Upper figures showphase space distribution in vertical (y) axis of the extracted
position. Lower figure shows the effect of octupole fieldstrength on the beam emittance at DTL exit.
石を増設して DTL 入射のマッチングノブを増やす検討案を模擬するものである。8 極磁場によるエミッタンス増大の低減効果の検証においては、この新たに設置したラティスにおいてビーム径が大きくなる部分に８極磁場を発生させて、DTL 出口におけるエミッタンスを評価するものとした。ビーム輸送計算は WARP を用いて実行した。
入射ビームの初期エミッタンスは現状の MEBT1 ビームと同程度の 1.039 mm mrad に設定した。シミュレーションにおけるビーム電流は２次元体系におけるチューンデプレッションが 3 次元での 60 mA のバンチ化ビームを加速する際と同等のチューンデプレッションとなるよう規格化している。
Figure 7 にシミュレーション結果を示す。8 極磁場を印加しない (0 T/m3) 場合においては、ビームフラグメンテーションが発生しておりエミッタンスが 1.056 mm mradまで増大している。8 極磁場の印加によりビームフラグメンテーションの成長が抑制され、その強度を 5,000 T/m3まで印加する場合にはエミッタンス増大が抑制され極小値 1.042 mm mrad が得られた。さらに 8 極成分の強度を増大させると、かえってビームフラグメンテーションの形成を助長する効果が大きくなり、再びエミッタンスが増大した。このように、8 極磁場の印加によりエミッタンス増大の抑制が可能であることを簡便な体系におけるシミュレーションで実証することができた。今後はシミュレーションを 3 次元に拡張し、加速やバンチ構造による影響を加味してさらに詳細なシミュレーションを実施することと検討している。また、前項で記述したプロトタイプを使用して JPARC リニアックの RFQ テストスタンドにおけるビーム輸送実験を実施し、8 極磁場がビーム分布やエミッタンスに与える影響を実験的に評価することも計画している。これ
らの結果を用いることで J-PARC リニアックの電流アップグレードにおいて機能結合型多重極磁石の利点を最大限活用することが可能なラティス設計の確立を目指す。

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謝辞
本研究は JSPS 科研費 21K17996 の助成を受けたものです。

参考文献[1] Y. Yamazaki et al., “Accelerator technical design report forJ-PARC”, KEK-REPORT-2002-13, JAERI-TECH-2003044, J-PARC-03-01 (2003).
[2] H. Hotchi, H. Harada, N. Hayashi, S. Kato, M. Kinsho, K.
Okabe, P. K. Saha, Y. Shobuda, F. Tamura, N. Tani, Y.
Watanabe, K. Yamamoto, M. Yamamoto, and M.
Yoshimoto: PYSICAL REVIEW ACCELERATORS AND
BEAMS, 20,060402 (2017).
[3] H. Oguri, Proceedings of 29th Linear Accelerator
Conference, 29-34 (2018).
[4] Y. Fuwa et al., Proceedings of the 17th Annual Meeting ofParticle Accelerator Society of Japan, FRPP40, 780-782(2020).
[5] K. Okabe, Y. Liu, M. Otani, K. Moriya, T. Shibata, M.
Chimura, K. Hirano, H. Oguri, and M. Kinsho, Proceedingsof 3rd Symposium (J-PARC2019), JPS Conf. Proc. 33,011011 (2021).
[6] M. Chimura, H. Harada, and M. Kinsho, Progress ofTheoretical and Experimental Physics, 063G01 (2022).
[7] Y. Fuwa, Y. Iwashita, and T. Takayanagi, IEEE Transaction
on Applied Superconductivity, Vol. 32, No. 6, 4006705(2022).

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